Die Quantentheorie sagt die Existenz sogenannter dreigliedriger verschränkter Zustände voraus, in denen drei Quantenteilchen auf eine Art und Weise miteinander verbunden sind, wie es in der klassischen Physik kein Gegenstück gibt. Theoretische Physiker möchten verstehen, wie gut neue Theorien, Alternativen zur Quantentheorie, das Verhalten dieser Zustände reproduzieren könnten.
John Clauser, Alain Aspect und Anton Zeilinger, deren Arbeit kürzlich vom Nobelpreiskomitee anerkannt wurde, haben Bells Theorem experimentell bewiesen und gezeigt, dass keine lokale Alternative zur Quantentheorie mit versteckten Variablen dieses Verhalten reproduzieren kann. Mit anderen Worten, sie zeigten, dass Quantenkorrelationen nichtlokal sind.
Forscher der University of Science and Technology of China, des Institute of Photonic Sciences, der Università della Svizzera Italiana und des Perimeter Institute of Theoretical Physics haben kürzlich eine experimentelle Studie durchgeführt, die diese Ergebnisse verallgemeinert, indem sie neue potenzielle Theorien in Betracht ziehen. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfungschlagen vor, dass die Korrelationen, die durch den in ihrem Experiment verwendeten dreiteiligen verschränkten Zustand erreicht werden, nicht durch eine hypothetische Theorie erklärt werden können, die eine Verallgemeinerung der zweiteiligen Verschränkung beinhaltet, die als „exotische Quellen zweier Teilchen“ bezeichnet wird, zusätzlich zu einer Theorie der lokalen verborgenen Variablen.
„Das Hauptziel unserer Studie war es, zu beweisen, dass das Verhalten einer Quantenquelle mit drei Teilchen (z. B. einer Quelle von drei Photonen) nicht durch eine neue hypothetische Theorie (die die Quantentheorie ersetzt, die noch entdeckt werden muss) reproduziert werden kann, die nur Exoten beinhaltet Paare von zwei Teilchen, die durch neue physikalische Gesetze beschrieben werden, und ein lokales Modell verborgener Variablen“, sagte Marc-Olivier Renou, einer der Autoren der Veröffentlichung, gegenüber Phys.org.
Gaël Massé, ein zweiter Autor, erklärt: „Um dies zu tun, haben wir die Idee verwendet, die in der ‚Inflationstechnik‘ enthalten ist, die von Elie Wolfe, einem unserer Mitautoren, erfunden wurde. Wenn wir uns ein Paar aus zwei Teilchen vorstellen, das durch neue physikalische Gesetze beschrieben wird, Selbst wenn wir keine Ahnung haben, wie wir sie beschreiben sollen, können wir immer noch eine Kopie dieses Paares erstellen und alle Partikel auf eine neue Art und Weise miteinander interagieren lassen.Obwohl diese Technik elementar erscheint, hat sie sich oft als sehr mächtiges Werkzeug erwiesen theoretische abstrakte Konzepte.“
In ihrer Arbeit leiteten die Forscher erstmals einen neuen geräteunabhängigen Zeugen ab, der Kausaltheorien mit zweiteiligen nichtklassischen Ressourcen falsifizieren könnte. Dann zeigten sie durch ein von Huan Cao und Chao Zhang durchgeführtes Laborexperiment, dass ein dreigliedriger verschränkter Zustand (der „GHZ-Zustand“ genannt) in der Praxis Korrelationen erhalten konnte, die diesen Zeugen verletzen.
„Unter Verwendung eines hochleistungsfähigen photonischen GHZ3-Zustands mit Genauigkeiten von 0,9741 ± 0,002 liefern wir eine klare experimentelle Verletzung dieses Zeugen um mehr als 26,3 Standardabweichungen unter der Annahme von Lokalität und fairer Stichprobe“, erklärte das Team in seinem Papier. „Wir verallgemeinern unseren Brief an den |GHZ4⟩-Zustand und erhalten Korrelationen, die nicht durch eine Kausaltheorie erklärt werden können, die auf dreiteilige nichtklassische gemeinsame Ursachen beschränkt ist, unterstützt durch unbegrenzte gemeinsame Zufälligkeit.“
Die jüngste Arbeit ist eine Verallgemeinerung des Satzes von Bell. Seine bemerkenswerteste Errungenschaft besteht darin, dass es über das hinausgeht, was Physiker zuvor für möglich gehalten haben, indem es potenzielle alternative Theorien zur Quantentheorie einschränkt.
„Bell schloss die Möglichkeit aus, dass Quantenkorrelationen durch ein lokales verborgenes Variablenmodell (dh gemeinsame Zufälligkeit) erklärt werden können“, erklärt Xavier Coiteux-Roy, ein Mitautor der Studie. „Wir sind ein bisschen weiter gegangen, indem wir bewiesen haben, dass selbst wenn Sie ‚zweiteilige exotische Quellen‘ zu Ihrer Theorie hinzufügen, es immer noch nicht funktioniert. Tatsächlich haben wir das Ergebnis verallgemeinert und gezeigt, dass, wenn Sie dreigliedrige, viergliedrige und andere exotische Quellen hinzufügen Quellen, es funktioniert immer noch nicht. Sie müssen wirklich N-partite exotische Quellen für jedes N einbeziehen, egal wie hoch es ist, wie es die Quantentheorie tut. Er kommt zu dem Schluss: „Beachten Sie, dass das Experiment Unvollkommenheiten aufweist, die Schlupflöcher genannt werden. Ein Experiment ohne diese Schlupflöcher zu realisieren, insbesondere das Schlupfloch nach der Auswahl, ist eine große Herausforderung für Experimentatoren in den nächsten Jahren.“
Basierend auf ihren Erkenntnissen kam das Team zu dem Schluss, dass die Korrelationen der Natur wirklich multipartit nichtlokal sind. Mit ihren bisherigen Experimenten konnten sie Theorien über zwei- und dreiteilige exotische Quellen definitiv ausschließen, aber sie denken nun darüber nach, andere Alternativen zur Quantentheorie zu evaluieren.
„Wir versuchen jetzt zu verstehen, wie weit diese Idee gehen kann und wie weit wir potenzielle Alternativen zur Quantentheorie ausschließen können, indem wir uns nur konkrete experimentelle Ergebnisse ansehen, ohne davon auszugehen, dass sie durch die Quantentheorie erklärt werden“, fügte Renou hinzu. „Dies könnte uns schließlich erlauben, alle potenziellen Alternativen zur Quantentheorie auszuschließen.“
Mehr Informationen:
Huan Cao et al, Experimentelle Demonstration, dass keine tripartite-nichtlokale Kausaltheorie die Korrelationen der Natur erklärt, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.150402
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